PCB板上沉锡焊盘上锡不良失效分析

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       PCB应用广泛，但由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题，并因此引发了许多质量纠纷。为了弄清楚失效的原因以便找到解决问题的办法和分清责任，必须对所发生的失效案例进行失效分析。

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沉锡焊盘上锡不良失效分析

1.背景：

送检样品为某PCBA板，该PCB板经过SMT后，发现少量焊盘出现上锡不良现象，样品的失效率大概在千分之三左右。该PCB板焊盘表面处理工艺为化学沉锡，该PCB板为双面贴片，出现上锡不良的焊盘均位于第二贴片面。

2.分析说明：

首先进行外观检查，通过对失效焊盘进行显微放大观察，焊盘存在不上锡现象，焊盘表面未发现明显变色等异常情况，结果如图1所示：

图1 失效焊盘

再对NG焊盘、过炉一次焊盘、未过炉焊盘分别进行表面SEM观察和EDS成分分析，未过炉焊盘表面沉锡层成型良好，过炉一次焊盘和失效焊盘表面沉锡层出现重结晶，表面均未发现异常元素，结果分别如图2、3、4所示：

图2 NG焊盘的SEM照片及EDS能谱

图3 过炉一次焊盘的SEM照片+EDS能谱图

图4 未过炉焊盘的SEM照片+EDS能谱图

再利用FIB技术对失效焊盘、过炉一次焊盘及未过炉焊盘制作剖面，对剖面表层进行成分线扫描，发现NG焊盘表层已经出现Cu元素，说明Cu已经扩散至锡层表面；过炉一次焊盘表层在0.3μm左右深度出现Cu元素，说明过炉一次焊盘后，纯锡层厚度约为0.3μm；未过炉焊盘的表层在0.8μm左右深度出现Cu元素，说明未过炉焊盘的纯锡层厚度约为0.8μm。鉴于EDS测试精度较低，误差相对较大，接下来采用AES对焊盘表面成分进行进一步分析。

结果如图5、6、7所示：

图5NG焊盘剖面的SEM照片及EDS能谱

图6过炉一次焊盘剖面的SEM照片+EDS能谱图

图7 未过炉焊盘剖面的SEM照片+EDS能谱图

最后对NG焊盘和过炉一次焊盘的极表面成分进行分析，NG焊盘在0~200nm深度范围内，主要为Sn、O元素，200~350nm深度范围内，为铜锡合金，几乎不存在纯锡层；过炉一次焊盘在0~140nm深度范围内主要为锡层，之后出现元素Cu（金属化合物），结果如图8~15所示：

图8.NG焊盘测试位置

图9.NG焊盘极表面的成分分析图谱

图10.NG焊盘表面（约50nm深度）的成分分析图谱

图11.焊盘表（0~350nm深度）的成分分布曲线

图12.过炉一次焊盘表面成分分析位置示意图

图14.过炉一次焊盘表面

（约50nm深度）的成分分析图谱

图15.过炉一次焊盘表面（0~220nm）深度的成分分布曲线

过炉3次焊盘切片示意图

结论： 由上述分析可知，NG焊盘在SMT贴装前已经过完一次炉，在过炉过程中，表层锡会被氧化，同时高温加剧锡与铜相互扩散，形成铜锡合金，使铜锡合金层变厚，锡层变薄。当锡层厚度小于0.2μm，焊盘将不能保证良好的可焊性，出现上锡不良失效。

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NG焊盘在SMT贴装前已经过完一次炉，在过炉过程中，表层锡会被氧化，同时高温加剧锡与铜相互扩散，形成铜锡合金，使铜锡合金层变厚，锡层变薄